工程机械4-电气控制

1、电气控制概述目 录1 电路基础2 自动控制3 传感器4 PLC5 电气控制-以挖掘机为例6 电气标准化设计电路基础1 电路基础1. 电路：是电流的流通路径, 它是由一些电气设备和元器件按一定方式连接而成的。2. 电路的作用：（1）实现电能的传输和转换（2）实现信号的处理电路基础3. 线束线束：是电路中连接各电器设备的接线部件,由绝缘护套、接线端子、导线及绝缘包扎材料等组成。线束是挖掘机电路的网络主体。4. 电路原理图和线束图电路原理图：是表述各个电气部分之间关系的图像。不受各个电器元件的尺寸形状和它们之间距离的影响。线束图：是表述各关联线束走向的图像。需顾及各个电气元件的尺寸形状和它们之间的距

2、离，也需反映出电气件彼此之间的连接方式。挖掘机整车主线束一般分成发动机（点火、电喷、发电、起动）、仪表、照明、空调、辅助电器等部分。电路基础5.最简单电器系统最简单的电器系统组成：电源、开关、线束和用电器。自动控制2 自动控制1. 自动控制人眼手臂,手大脑输出信号输入信号人眼用自动化装置代替人工操作图1 人体控制系统自动控制：是在没有人参与的情况下，系统的控制器自动地按照人预定的要求控制设备或过程，使之具有希望的状态和性能。具有自动控制功能的系统称为自动控制系统。自动控制2.开环控制和闭环控制 开环控制：控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。即控制系统的输出量对系统没有控制作

3、用，这种系统是开环控制系统。输入输出量信号(炉温)(开关)(炉子)图2 开环控制框图被控对象控制装置自动控制例如：进料开关炉温控制液位控制 K电源阀闭环控制开环控制出料E图3 控制系统实例 开环控制系统的特点:（1） 系统输出量对控制作用无影响；（2） 无反馈环节；（3) 出现干扰靠人工消除；（4）无法实现高精度控制。自动控制扰动给定值输出量图4 闭环控制框图测量被控对象控制装置 闭环控制：即把输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，形成闭环，参与控制，这种系统叫闭环控制系统。闭环控制实例见图3所示。自动控制3.什么是反馈：输出量送回输入端并与输入信号比较的过程即反馈。 闭环控制系统的特点:（1

4、） 系统输出量对控制作用有直接影响；（2） 有反馈环节，并应用反馈减小误差；（3） 当出现干扰时，可以自动减弱其影响；（4） 系统可能工作不稳定。自动控制4.开环控制与闭环控制的比较闭环控制优点：具有自动修正被控制量出现偏差的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。开环控制优点 ：结构简单，成本低，工作稳定；当输入信号和扰动信号能预先知道时，控制效果比较好。缺点：不能自动修正被控制量的偏差，系统元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响比较大。自动控制5.控制系统的组成：(1)(2)(3)(4)(5)测量元件比较元件控制元件执行元件被

5、控对象 被控量 设定值测量变送对象执行器控制器传感器3 传感器1. 传感器：一种检测装置，它能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。2.传感器的组成：敏感元件感受被测量并输出与之成确定关系的其它量的元件。传感元件可直接感受被测量（非电量）而输出与之成确定关系的电量。测量电路将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。传感器3.挖掘机上传感器主要有：转速传感器压力传感器温度传感器液位传感器压力开关等传感器（1）转速传感器电磁感应式发动机转速传感器主要由永久磁铁、

6、感应线圈等组成。感应线圈绕在永久磁铁外面，永久磁铁的下端靠近发动机飞轮齿圈的齿顶，并保持一定的空气隙。当发动机运转时，通过线圈的磁力线发生变化，在线圈中感应出交变正弦波电压信号，其频率与发动机转速成正比，信号比较弱，经过放大、整流、比较转换为方波脉冲信号，输入仪表或控制单元。传感器（2）压力传感器挖掘机所选用的压力传感器是电压型输出（0.54.5V）。压力传感器使用压力应变片组成的压敏电阻作为测量元件，作用在测量元件上的压力使内部的压力应变片感应压力的变化产生形变，其结果使得连接在惠斯通电桥中的该电阻阻值改变，进而使得与压力信号成正比的桥路输出电压值发生变化，经过内部电子电路处理，经过计算后得

7、到测量结果。带变送器的压力传感器输出方式有：电压输出型（05V、15V、010V）、电流输出型（020mA ， 420mA）和总线输出型（CAN）。传感器（3）机油压力传感器滑动电阻线圈机油压力传感器结构机油压力传感器传感器（4）温度传感器温度传感器有热电偶和热电阻两种。热电阻型传感器是利用温度变化时本身电阻随之变化的特性来测量温度的， 热电阻感温元件电阻丝均匀地绕在绝缘材料制成的骨架上，当被测介质温度变化时，测得的温度是感温元件所在范围内的平均温度。还有一种温度开关，又叫热敏开关，由热胀冷缩不同的双金属片制成 。挖掘机上温度传感器主要有水温和液压油温传感器。传感器温度传感器结构传感器（4）温

8、度报警开关温度报警开关原理传感器（5）液位传感器燃油油位传感器：由可变电阻，滑片和浮子组成，浮子漂浮在油面上，当浮子随油面高低而改变位置时，可带动滑片滑动，从而改变可变电阻有效值。当油箱无油时，浮子靠自重下降到最低位置，可变电阻有效电阻近似为零；当油箱中的燃油增加时，浮子上升，带动滑片移动，有效电阻变大。传感器可变电阻的未端搭铁，可减小滑片与可变电阻接触不良产生的火花。摆动浮子式直杆式传感器（6）压力开关压力开关压力开关动作原理压力开关有常开型和常闭型。常开型：用于怠速控制时，当压力大于设定值时触电闭合，小于设定值时开路。常开型压力开关属于隔膜式结构。传感器 常闭型机油压力开关压力报警开关压力

9、报警开关结构压力报警开关动作PLC4 PLC1.可编程控制器一种工业计算机可编程控制器，是现代自动化设备中使用最广泛的核心控制器件。它是应用计算机技术进行逻辑判断与运算的控制器。以可编程控制器为核心加入各种辅助器件（传感器、驱动器件等）构成控制系统，以顺序+反馈的方式实现设备的自动化运转。PLC2.PLC硬件结构电源微处理器（ C P U ）用户输入用户输出设备 输入单元 输出单元 设备编程器外设I/ O接扩展 I / O 部分扩展 I / O 接口存 储 器外部设备E P R O M 写入器系统程序存储器E P R O M用户程序存储器R A M变量存储器R A M笔记本电脑C R T 监控

10、 口打印机可编程控制器硬件组成框图 控制器运算器PLC3.PLC控制器各主要部分作用 输入/输出接口：即I/O接口，可编程控制器与被控对象设备、或者周边其它控制器相互联系、交换信息与指令的通道。 存储器：数据的存储区域，用于存放系统程序、用户程序、逻辑变量、输入/输出状态的映像、以及各种其它数据信息。 微处理器：显然是控制器的核心部件，它实现各种逻辑运算、算术运算，还要对整个控制系统的各个部分的工作进行协调与控制。PLC 外部设备：开发及维护设备的可编程控制器系统时，及设计与调试应用程序、监控系统运行状态的各种辅助设备，我们公司内常用到的是安装有NPST-GR软件的笔记本电脑、或者是手持编程器

11、等。 I/O扩展部分：为控制系统扩展输入/输出的点数而设计，根据不同的控制器型号能扩充的最大点数也不相同，而且扩展的功能模块也不尽相同，高版本的输入、输出、模/数、数/模转换等。 电源：整个控制器的电力供给中心；其一为内部电源内部的微处理器、存储器。等的工作用电，一般是直流5V；其二为外部电源（也称用户电源）用于传 送设备上各传感器信号、用于驱动设备的各种执行元件，一般是直流24V且功率较小。PLC4.输入输出接口输入接口输出接口开关量（DO）：电磁阀、继电器等；模拟量（AO）PWM：比例电磁阀。开关量输入（DI）：增力按钮、压力开关、温度开关等； 模拟量输入（AI）：压力传感器、温度传感器等

12、；高速输入（PI）：转速传感器。电气控制-以挖掘机为例5 挖掘机电气控制1.电控系统组成：检测传感器电控单元执行元件与微电子技术、电力电子技术、检测传感技术、机械制造技术等紧密联系在一起。各传感器向电控单元输入检测信号，电控单元根据存储的控制程序和输入信号计算各控制动作，向各控制对象发出信号，实现精确控制、报警、数据存储等。CAN总线挖掘机电控系统原理框图远程监控系统（GPS终端）人机交互界面（仪表）油门旋钮其他传感器变量泵比例电磁阀电子控制器（ECU）油门伺服电机压力开关转速传感器2.挖掘机控制系统的主要功能：系统监控信息发动机的控制液压泵的控制液压阀的控制电气控制-以挖掘机为例(1)系统监

13、控信息、对发动机的转速、发动机水温、机油压力、燃油量、电瓶电压、空滤堵塞、液压油温、液压进油堵塞液压回油堵塞、液压先导油堵塞、充电状态、预热指示等输入、输出量实时监测并在显示器显示，驾驶员可以了解更多的机器状态，从而使故障判断更容易。电气控制-以挖掘机为例(2)发动机的控制十档油门控制将柴油机空载转速从低到高分为十档，各档的转速可通过显示屏幕进行修改。电气控制-以挖掘机为例自动怠速控制自动怠速控制： 所有的操纵手柄都在中位时，降低发动机转速， 以减少油耗和噪音。手柄有动作时自动取消该功能并恢复到当前档位转速设定值。发动机过热保护/自动暖机过热保护功能：当发动机水温过高后，降低发动机的功率，减小

14、对发动机的损害，以达到保护发动机的功能。自动暖机功能：发动机启动后，如果发动机冷却水温过低缓慢增加发动机转速，以达到暖机目的。(3)液压泵的控制-功率匹配控制功能：根据发动机因负荷变化而产生的转速变化控制泵流量，以便有效利用发动机的输出。H模式发动机油门处于最大供油位置，泵设定为最高负载档，在此状态下，发动机用最高转速，最大功率，最短工作周期。S模式适用于一般挖掘及装载作业。周期短、耗油少、工作效率高。L模式发动机转速较低适合于挖掘机的平整作业。挖掘机电气控制（4）液压阀的控制-手动/自动增力控制挖掘作业时，如果需要更大的挖掘力（例如挖起岩石时）可以按下增力开关，以将液压压力提高9% 左右并持

15、续8秒，通过临时增加溢流压力增加挖掘力。CAN总线电气控制-以挖掘机为例 CAN最早是由德国BOSCH公司为解决现代汽车机件中的控制模块与测试仪器之间的数据交换而开发的一种数据通信方式，CAN总线为汽车上各种电子设备、控制模块、测量仪器等提供了统一数据交换渠道，将是汽车电子技术发展的一个里程碑。 CAN全称为“Controller Area Network” ，即控制器局域网。是国际上广泛应用的现场总线之一。电气控制-以挖掘机为例 CAN总线是为解决现代汽车中众多电控模块 （ECU）之间的数据交换而开发的一种串行数据总线。 数据总线 数据总线是模块（ECU)之间运行数据的公共通道，它将各个功能

16、部件的ECU连在一起， 大量的数据信息和控制信息在总线上流动，实现各功能部件的ECU之间的信息交换。 CAN总线网络的两个终端电阻分别安装在仪表模块和后控模块中，在确保总线安装良好的情况下，当车辆断电后，可用万用表在两根信号线 CAN-H（信号高）和 CAN-L（信号低）之间，测量出约60的电阻值。用万用表在两根信号线之间可测量出约60的电阻值电气控制-以挖掘机为例 串行通信 串行通信就是将需要传送的二进制数一位一位依次传送，每一位数据占据一个固定的时间段。串行传送速度慢、效率低，但传输线路便宜。CAN总线网络的传输线由两根信号线 CAN-H（信号高）和 CAN- L（信号低）的屏蔽双绞线组成

17、，通过网络传输线与车辆的系列电控模块ECU并联相接。在总线网络线路的两个终端各有一个120电阻，作用是避免数据通信网络中，数据传输终了反射回来，产生反射波使网络中的数据遭到破坏。电气控制-以挖掘机为例CAN总线网络信号传输有显性位和隐性位两个状态。显性位：用逻辑0表示，此时两根网络信号线的电压是：CANH3.5V、CAN-L1.5V隐性位：用逻辑1表示，此时两根网络信号线的电压是：CAN-HCAN-L2.5V CAN总线网络传输线采用屏蔽双绞线可提高信号线的抗高频辐射和地电平漂移能力，当受到干扰后两线产生的影响相同，相互抵消，使差值保持不变。同时，在两根信号线的外层包裹金属屏蔽，可将各种辐射信

18、号屏蔽搭铁。电气控制-以挖掘机为例 对CAN总线网络传输线的使用要求：1.用适当的阻抗匹配2 .最长桩线长度为1m3. 最小节点间距离为0.1m4. 最大节点间距离为40m5. 不能随意分开双绞线，破节长度不能0.5m6. 屏蔽线要接地良好电气控制-以挖掘机为例当 CAN 总线网络工作后，用万用表测量不出信号高（CAN-H) 和信号低 (CAN-L) 两根信号线的当前电压变化值。因为，当 CAN 总线网络工作后，CAN 总线网络信号线上的电压在不断的变化，而万用表的响应速度很慢，所以，所测量的电压不是当前的电压变化值，而是电压的有效值。当 CAN 总线网络工作后，用万用表测量 CAN-H 信号

19、线对地电压值为：2.32.4 V 左右。当 CAN 总线网络工作后，用万用表测量 CAN-L 信号线对地电压值为：2.32.4 V 左右。当 CAN 总线网络工作后，用万用表测量 CAN-H 和CAN-L 两根信号线之间的电压值为：0 V 左右。电气标准化设计6 电气标准化设计（一）电气标准（二）电气制图标准（三）基本电气符号（四）电气认证电气标准化设计（一）电气标准1.标准概况：在电气设计过程中，国家、行业、企业对于电气设计人员进行设计过程中的一些规范要求。主要包含：国家、国际标准行业设计标准企业内部设计标准具体项目设计要求标准电气标准化设计2.电气标准化的功能设计方面 设计工作规范 设计效

20、率提高工程方面 错误率低 调试简单管理方面 管理方便快捷 项目规划科学电气标准化设计3.电气标准化的收益事实证明，在企业实施电气设计标准化以后，企业在电气设计方面可以节省人力成本、时间成本，提高工作效率。电气标准化设计（二）电气制图标准原理图1、图幅大小：A3；2、图纸风格：熔盛风格；3、整体布置：协调、合理、美观；4、元器件画法：按最新国家标准，控制器接线全部画出（按插件分开）；5、文字：同一张图纸用同一种类型的文字（单行、多行、动态），不能被线压住；6、比例：1：1。电气标准化设计原理图7、接地符号：用，不用；8、尽量避免线交叉，交叉相接处用0.8实心圆点表示；9、合理使用图层、颜色和线宽，以使图纸层次、主次分明；10、标题栏中的材料栏不标，名称栏统一为：E-DQ；11、功能类似的零部件尽可能放在一起；12、线号用三位数字表示（0线除外）。其中第1位表示功能区域，第2、3位为流水号。电气标准化设计系统图住。6、比例：1：1；7、所有插接件、线束固定卡要在实际位置标出；8、不属于电气系统的元